CN105439077A - 压力传感器的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种压力传感器的制备方法，包含：提供半导体基底，所述半导体基底的表面形成有覆盖底部电极的牺牲层；在所述半导体基底上形成顶部电极，所述顶部电极具有压力传感区；在所述顶部电极上形成刻蚀停止层，所述刻蚀停止层覆盖所述压力传感区；对所述顶部电极进行选择性刻蚀形成顶部电极开口；通过所述顶部电极开口去除所述牺牲层；在所述半导体基底、刻蚀停止层和顶部电极上形成介质层；刻蚀去除覆盖所述压力传感区的所述介质层，并去除所述牺牲层，以暴露出所述压力传感区。本发明的压力传感器的制备方法，能够避免或减少对顶部电极的损伤，并避免或降低对腔体的应力，从而提高器件的性能。

Description

压力传感器的制备方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种压力传感器的制备方法。

背景技术

微机电系统(MicroelectroMechanicalSystems，简称MEMS)是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域，是一种采用半导体工艺制造微型机电器件的技术。与传统机电器件相比，MEMS器件在耐高温、小体积、低功耗方面具有十分明显的优势。经过几十年的发展，已成为世界瞩目的重大科技领域之一，它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术，具有广阔的应用前景。

压力传感器是一种将压力信号转换为电信号的换能器。根据工作原理的不同分为电阻式压力传感器和电容式压力传感器。电容式压力传感器的原理是通过压力改变顶部电极与底部电极之间的电容，以此来测量压力。

在现有技术中，顶部电极与底部电极通过一腔体隔开，顶部电极上具有一压力传感区，在实际操作中，需要对介质层进行刻蚀工艺以暴露出所述压力传感区，但是，在刻蚀的过程中不可避免的会对顶部电极造成损伤，对腔体产生应力而使压力传感器变形，并且，在刻蚀的过程中易产生聚合物等颗粒(particle)，从而影响器件的性能。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种压力传感器的制备方法，以避免或减少对顶部电极的损伤，并避免或降低对腔体产生应力，从而提高器件的性能。

为解决上述技术问题，本发明提供一种压力传感器的制备方法，包括：

提供半导体基底，所述半导体基底中形成有底部电极，所述半导体基底的表面形成有覆盖所述底部电极的牺牲层；

在所述半导体基底上形成顶部电极，所述顶部电极与所述底部电极通过所述牺牲层隔开，所述顶部电极具有压力传感区；

在所述顶部电极上形成刻蚀停止层，所述刻蚀停止层覆盖所述压力传感区；

对所述顶部电极进行选择性刻蚀形成顶部电极开口，所述顶部电极开口暴露出所述牺牲层；

通过所述顶部电极开口去除所述牺牲层，在所述底部电极和顶部电极之间形成腔体；

在所述半导体基底、刻蚀停止层和顶部电极上形成介质层；以及

刻蚀去除覆盖所述压力传感区的所述介质层，并去除所述牺牲层，以暴露出所述压力传感区。

进一步的，所述牺牲层和刻蚀停止层的材料均为非晶碳，去除所述牺牲层和刻蚀停止层的方法为：

通入氧等离子体，在温度范围为150℃～450℃的条件下灰化所述牺牲层和刻蚀停止层。

进一步的，去除所述刻蚀停止层的方法为各向同性的刻蚀方法。

进一步的，去除所述刻蚀停止层的方法为灰化的方法，所述刻蚀停止层的材料为能够利用灰化去除的材质。

进一步的，所述刻蚀停止层的材料为光刻胶或非晶碳。

进一步的，所述压力传感器的制备方法还包括：

在所述刻蚀停止层和介质层之间形成一保护层；

在对所述介质层进行刻蚀的步骤中，刻蚀所述保护层，以暴露出所述刻蚀停止层。

进一步的，所述保护层的材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅。

进一步的，所述保护层的材料和所述介质层的材料相同。

进一步的，所述介质层的材料和所述保护层的材料均为氮化硅。

进一步的，所述保护层的厚度为

进一步的，所述刻蚀停止层的厚度为

进一步的，所述顶部电极的材料为锗硅。

进一步的，所述压力传感区为环形，宽度为5um～10um。

与现有技术相比，本发明提供的压力传感器的制备方法具有以下优点：

在压力传感器的制备方法中，在所述顶部电极上形成刻蚀停止层，所述刻蚀停止层覆盖压力传感区，之后在刻蚀去除覆盖所述压力传感区的所述介质层的步骤中，由于所述介质层较厚，所以在此过程中，所述刻蚀停止层可以保护所述压力传感区不被损伤，并且可以避免对腔体产生过多的应力；之后再去除所述刻蚀停止层，由于所述刻蚀停止层比较少，所以，在此过程中，可以减少或避免产生过多的聚合物，从而提高器件的性能。

附图说明

图1为本发明一实施例中压力传感器的制备方法的流程图；

图2至图10为本发明一实施例中压力传感器的制备方法中器件结构的示意图。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的压力传感器的制备方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明提供一种压力传感器的制备方法，包括如下步骤：

步骤S11，提供半导体基底，所述半导体基底中形成有底部电极，所述半导体基底的表面形成有覆盖所述底部电极的牺牲层；

步骤S12，在所述半导体基底上形成顶部电极，所述顶部电极与所述底部电极通过所述牺牲层隔开，所述顶部电极具有压力传感区；

步骤S13，在所述顶部电极上形成刻蚀停止层，所述刻蚀停止层覆盖所述压力传感区；

步骤S14，对所述顶部电极进行选择性刻蚀形成顶部电极开口，所述顶部电极开口暴露出所述牺牲层；

步骤S15，通过所述顶部电极开口去除所述牺牲层，在所述底部电极和顶部电极之间形成腔体；

步骤S16，在所述半导体基底、刻蚀停止层和顶部电极上形成介质层；

步骤S17，刻蚀去除覆盖所述压力传感区的所述介质层，并去除所述牺牲层，以暴露出所述压力传感区。

在刻蚀去除覆盖所述压力传感区的所述介质层的步骤中，由于所述介质层较厚，所以在此过程中，所述刻蚀停止层可以保护所述压力传感区不被损伤，并且可以避免对腔体产生过多的应力；之后再去除所述刻蚀停止层，由于所述刻蚀停止层比较少，所以，在此过程中，可以减少或避免产生过多的聚合物，从而提高器件的性能。

以下结合图1和图2至图10，具体说明本发明的压力传感器的制备方法。其中，图1为本发明一实施例中压力传感器的制备方法的流程图；图2至图10为本发明一实施例中压力传感器的制备方法中器件结构的示意图。

首先，进行步骤S11，如图2所示，提供半导体基底100，所述半导体基底100中形成有底部电极110，所述半导体基底100的表面形成有覆盖所述底部电极110的牺牲层。

本领域的普通技术人员可以理解，在所述半导体基底100内还可以具有第一互连结构102、第二互连结构103和控制电路101，所述底部电极110通过所述第一互连结构102与控制电路101电连接，顶部电极通过第二互连结构103与控制电路101电连接，较佳的，所述控制电路101为CMOS电路。另外，在半导体基底100内还可以形成有其他器件结构，例如放大器、数/模转换器、模拟处理电路和/或数字处理电路、接口电路等，形成这些器件结构的方法均可以为CMOS工艺。其中，所述第一互连结构102、第二互连结构103可以包括栓塞和互连线，其具体的结构需要根据实际情况确定，图2中的所述第一互连结构102、第二互连结构103仅起示意作用，并不对本发明做出任何限制。

在优选实施例中，所述底部电极110的厚度为0.1μm～4μm。所述底部电极110的材料选自铝、钛、锌、银、金、铜、钨、钴、镍、钽、铂这些金属其中之一或者他们的任意组合；或者，选自多晶硅、非晶硅、多晶锗硅、非晶锗硅这些导电非金属或者他们的任意组合；或者，选自所述金属、导电非金属其中之一以及他们的任意组合与绝缘层的组合；但不限于这些材料，也可以为本领域技术人员公知的其他材料。

在本实施例中，所述牺牲层120的材料为非晶碳，但不限于非晶碳，也可以为本领域技术人员公知的其他材料，除此之外所述牺牲层120还可以为其他材料，例如二氧化硅、非晶硅、非晶锗、光阻材料，聚酰亚胺等。在本实施例中形成所述牺牲层120的方法为：利用化学气相沉积方法沉积非晶碳，覆盖所述半导体基底100和底部电极110，之后利用光刻、刻蚀工艺去除部分非晶碳，保留覆盖底部电极110的非晶碳。具体的，剩余的覆盖底部电极110的非晶碳的尺寸根据之后需要形成的顶部电极的尺寸确定。该牺牲层120定义出了顶部电极的位置。

接着，进行步骤S12，如图3所示，在所述半导体基底100上形成顶部电极130，所述顶部电极130与所述底部电极110通过所述牺牲层120隔开，所述顶部电极130具有压力传感区131。

具体的，可以在所述半导体基底100以及牺牲层120上形成顶部电极130，所述顶部电极130覆盖所述牺牲层120的顶面、侧面以及所述半导体基底100。所述顶部电极130具有压力传感区131，用于感应压力时发生形变。所述压力传感区131位于所述牺牲层120上，一般的，所述压力传感区131为环形，例如方环形，此为本领域的技术人员可以理解的，在此不作赘述。在受到压力时，所述压力传感区131发生形变，从而带动环形内的所述顶部电极130形变，从而所述顶部电极130向所述底部电极110靠近，使得电容值发生变化，从而可以测得压力。较佳的，所述压力传感区131的宽度为5um～10um，例如6um、7um、8um、9um等等。在具体实施例中，顶部电极130的材料选自铝、钛、锌、银、金、铜、钨、钴、镍、钽、铂这些金属其中之一或者他们的任意组合；或者，选自多晶硅、非晶硅、多晶锗硅、非晶锗硅这些导电非金属或者他们的任意组合；或者，选自所述金属、导电非金属其中之一以及他们的任意组合与绝缘层的组合。但不限于这些材料，也可以为本领域技术人员公知的其他材料。

接着，进行步骤S13，如图4所示，在所述顶部电极130上形成刻蚀停止层140，所述刻蚀停止140层覆盖所述压力传感区131。在本实施例中，所述刻蚀停止层140的材料为非晶碳，使得所述刻蚀停止层140的材料与所述牺牲层120的材料相同，具有更好地工艺相容性。但所述刻蚀停止层140的材料不限于非晶碳，也可以为本领域技术人员公知的其他材料，除此之外所述刻蚀停止层140还可以为其他材料，例如二氧化硅、非晶硅、非晶锗、光阻材料、光刻胶等。在本实施例中形成所述刻蚀停止层140的方法为：利用化学气相沉积方法沉积非晶碳，覆盖所述顶部电极130，之后利用光刻、刻蚀工艺去除部分非晶碳，保留覆盖所述压力传感区131的非晶碳。在本实施例中，所述刻蚀停止层140的厚度为例如等等，可以较好的保护所述压力传感区131，但是，所述刻蚀停止层140的厚度并不限于上述描述，可以根据需要进行调整。

可选的，如图5所示，在所述顶部电极130上形成刻蚀停止层140之后，在所述刻蚀停止层140上形成一保护层150，所述保护层150在子步骤S15中可以保护所述刻蚀停止层140不被损伤。在本实施例中，所述保护层150为氮化硅，但不限于氮化硅，也可以为本领域技术人员公知的其他材料，例如氧化硅、碳化硅等。较佳的，所述保护层的厚度为例如 等等，可以较好的保护所述刻蚀停止层140，但是，所述保护层150的厚度并不限于上述描述，可以根据需要进行调整。

接着，进行子步骤S14，如图6所示，对所述顶部电极130进行选择性刻蚀形成顶部电极开口132，所述顶部电极开口132暴露出所述牺牲层120，所述顶部电极开口132位于所述压力传感区131以外的所述顶部电极130中。

随后，进行子步骤S15，如图7所示，通过所述顶部电极开口132去除所述牺牲层120，在所述顶部电极130和底部电极110之间形成腔体121。在本发明具体实施例中，所述牺牲层120的材料为非晶碳，去除所述牺牲层120的方法为：等离化氧气形成氧等离子体；将所述氧等离子体通入所述顶部电极开口132，在温度范围为150℃～450℃的条件下灰化所述牺牲层120。在温度范围为150℃～450℃的条件下去除所述牺牲层120可以保证半导体基底100内的控制电路101、第一互连结构102、第二互连结构103不受损伤。在本发明的其它实施例中，只要是所述牺牲层120的材料为可氧化为气体的固体，均可以使用灰化的方法去除所述牺牲层120，例如所述牺牲层120的材料为光刻胶材料，其中PI(聚酰亚胺薄膜PolyimideFilm)较为常用。

然后，进行步骤S16，如图8所示，在所述半导体基底100、刻蚀停止层140和顶部电极130上形成介质层。在本实施例中所述刻蚀停止层140上具有保护层150，因而，所述介质层160覆盖所述保护层150。较佳的，所述介质层160的材料和所述保护层150的材料相同，以方便在步骤S15中，同时去除所述介质层160和所述保护层150，在本实施例中，所述介质层160的材料和所述保护层150的材料均为氮化硅。

随后，进行步骤S17，刻蚀去除覆盖所述压力传感区131的所述介质层160，并去除所述牺牲层140，以暴露出所述压力传感区131。

具体的，如图9所示，对所述介质层160进行选择性刻蚀形成介质层开口161，所述介质层开口161暴露出所述刻蚀停止层140。在本实施例中，由于还包括所述保护层150，所以，同时刻蚀所述保护层150，以暴露出部分所述刻蚀停止层140。一般的，所述介质层160的厚度远大于所述刻蚀停止层140的厚度，所述介质层160一般采用干法刻蚀，干法刻蚀具有各向异性，使得所述介质层开口161的侧壁的形貌比较好。但是，干法刻蚀对所述介质层开口161的底部表面轰击强，会使得所述介质层开口161的底部表面损伤。在本实施例中，由于所述刻蚀停止层140的存在，避免干法刻蚀的等离子体轰击所述压力传感区131，保护所述压力传感区131不被损伤，同时可以避免对所述腔体121产生过多的应力。

接着，如图10所示，通过所述介质层开口161去除所述刻蚀停止层140，所述介质层开口161暴露出所述压力传感区131。在本发明具体实施例中，所述刻蚀停止层140的材料为非晶碳，去除所述刻蚀停止层140的方法为：等离化氧气形成氧等离子体；将所述氧等离子体通入所述介质层开口161，在温度范围为150℃～450℃的条件下灰化所述刻蚀停止层140。在温度范围为150℃～450℃的条件下去除所述刻蚀停止层140可以保证半导体基底100内的控制电路101、第一互连结构102、第二互连结构103不受损伤。在本发明的其它实施例中，只要是所述刻蚀停止层140的材料为灰化去除的材质(如光刻胶等)，均可以使用灰化的方法去除所述刻蚀停止层140。

灰化(ash)指在高温(一般80℃以上)下，氧等离子体氧化分解光刻胶等材料。灰化具有各向同性，且选择比比较高，灰化所述刻蚀停止层140时，对其它膜层(如所述顶部电极130、所述介质层160等)的损伤比较小。但是，各向同性的刻蚀方法并不限于灰化方法，例如还可以为湿法刻蚀，湿法刻蚀具有各向同性，并且刻蚀选择比高，采用湿法刻蚀去除所述刻蚀停止层140，亦可以保证对所述顶部电极130的损伤较小。在本发明的其它实施例中，采用过氧化氢溶液去除光刻胶或碳的所述刻蚀停止层140，可以调节过氧化氢溶液的浓度，使得氧化氢溶液对所述刻蚀停止层140的刻蚀速率远大于对所述顶部电极130的刻蚀速率，同时，氧化氢溶液对所述刻蚀停止层140的刻蚀速率远大于对所述介质层160的刻蚀速率，则可以保证对所述顶部电极130的损伤较小。其中，湿法刻蚀的刻蚀液的选择为本领域的普通技术人员可以理解的，在此不作赘述。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (13)

1.一种压力传感器的制备方法，包括：

提供半导体基底，所述半导体基底中形成有底部电极，所述半导体基底的表面形成有覆盖所述底部电极的牺牲层；

在所述半导体基底上形成顶部电极，所述顶部电极与所述底部电极通过所述牺牲层隔开，所述顶部电极具有压力传感区；

在所述顶部电极上形成刻蚀停止层，所述刻蚀停止层覆盖所述压力传感区；

对所述顶部电极进行选择性刻蚀形成顶部电极开口，所述顶部电极开口暴露出所述牺牲层；

通过所述顶部电极开口去除所述牺牲层，在所述底部电极和顶部电极之间形成腔体；

在所述半导体基底、刻蚀停止层和顶部电极上形成介质层；以及

刻蚀去除覆盖所述压力传感区的所述介质层，并去除所述牺牲层，以暴露出所述压力传感区。

2.如权利要求1所述的压力传感器的制备方法，其特征在于，所述牺牲层和刻蚀停止层的材料均为非晶碳，去除所述牺牲层和刻蚀停止层的方法为：

通入氧等离子体，在温度范围为150℃～450℃的条件下灰化所述牺牲层和刻蚀停止层。

3.如权利要求1所述的压力传感器的制备方法，其特征在于，去除所述刻蚀停止层的方法为各向同性的刻蚀方法。

4.如权利要求3所述的压力传感器的制备方法，其特征在于，去除所述刻蚀停止层的方法为灰化的方法，所述刻蚀停止层的材料为能够利用灰化去除的材质。

5.如权利要求4所述的压力传感器的制备方法，其特征在于，所述刻蚀停止层的材料为光刻胶或非晶碳。

6.如权利要求1-5中任意一项所述的压力传感器的制备方法，其特征在于，所述压力传感器的制备方法还包括：

在所述刻蚀停止层和介质层之间形成一保护层；

在对所述介质层进行刻蚀的步骤中，刻蚀所述保护层，以暴露出所述刻蚀停止层。

7.如权利要求6所述的压力传感器的制备方法，其特征在于，所述保护层的材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅。

8.如权利要求6所述的压力传感器的制备方法，其特征在于，所述保护层的材料和所述介质层的材料相同。

9.如权利要求8所述的压力传感器的制备方法，其特征在于，所述介质层的材料和所述保护层的材料均为氮化硅。

10.如权利要求6所述的压力传感器的制备方法，其特征在于，所述保护层的厚度为

11.如权利要求1所述的压力传感器的制备方法，其特征在于，所述刻蚀停止层的厚度为

12.如权利要求1所述的压力传感器的制备方法，其特征在于，所述顶部电极的材料为锗硅。

13.如权利要求1所述的压力传感器的制备方法，其特征在于，所述压力传感区为环形，宽度为5um～10um。